什么是铸造工艺
- 流程定义
铸造是一种制造过程，其中将液体材料倒入包含预期形状的空腔的模具中，使其凝固，然后取出成品部件。 固化材料（通常是金属）呈现模具型腔的形状。 铸造最常用于金属部件，将熔融金属倒入模具中并使其冷却和凝固。 该工艺能够经济地生产复杂、高性能的金属部件，其精度、多功能性和材料特性通常无法通过其他制造方法实现。 因此，铸造是工业制造中极其重要的工艺。
- 工艺原理
铸造的原理集中在当热熔融材料从液态转变为固态时需要将其容纳在模具内。 第一步是用高耐热材料（通常是型砂、金属或环氧树脂）制造具有型腔、型芯和浇注系统的模具。 该模具设计用于快速填充金属，然后传递热量，使金属从液体凝固为具有适当晶粒结构的固体。
接下来，将所选金属在熔炉中高温熔化以达到熔融状态。 常见的铸造金属有铁、铝、钢和镁合金。 将液态金属倒入或注射到模具型腔中，并使其冷却并凝固成形状。 当金属轻微收缩时，模具在凝固过程中承受强大的力和热量。 金属和模具达到室温后，将最终铸件与模具分离。 可能需要进行二次精加工来清洁和检查铸件。
- 设备和工具
铸造需要专门设计的设备和工具来处理热金属并承受成型力：
- 熔炉利用燃料、电阻或感应将金属加热至熔点。 容器盛放熔融金属。
- 造型工具利用可重复使用的模型形成砂模。 图案可以是木材、金属或塑料。
- 型箱包含并在半模周围形成型砂。
- 型芯工具制造形成内部模具空隙的砂芯。
- 压铸机将金属注入永久性金属模具中。
- 熔模铸造使用嵌入陶瓷浆料涂层中的蜡模。
- 浇口/冒口元件将熔融金属送入模具型腔。
- 脱模抛丸机、研磨机和切割机等清洁工具可去除铸件。
- 检查工具验证模具/铸件尺寸和质量。
- 应用领域
由于铸造具有多功能性、高效性以及创建复杂形状的能力，几乎可以在每个制造领域生产零部件。 一些主要应用领域包括：
- 汽车：发动机缸体、气缸盖、车轮和变速箱是大批量铸造汽车零部件的例子。
- 航空航天：铸造涡轮叶片、变速箱、喷气发动机部件和机身配件。
- 国防：火炮、装甲、弹壳等主要军事装备均依赖铸造。
- 基础设施：铸造井盖、管道、阀门、泵和铁轨。
- 农业：拖拉机部件铸件，如外壳和滑轮。
- 消费品：铸造珠宝、乐器、家具五金。
- 医疗：牙冠、矫形植入物和手术器械。
铸造几乎可以在任何行业中使用各种金属材料生产符合精确工程要求的部件。
- 优点和局限性
- 优点：
- 复杂的净形零件很容易制造。 无需机械加工。
- 以较低成本实现大批量生产的能力。
- 许多合金很难制造，否则可以铸造。
- 比锻造金属更精细的微观结构控制。
- 复杂、高精度的零件采用一体铸造而成。
- 将零件/功能整合到一个组件中。
- 限制：
- 工具和设备的启动成本很高。
- 允许脱模的设计限制。
- 尺寸限制基于设备容量。
- 通常强度低于锻制金属。
- 需要进行后处理清洁和检查。
- 常见缺陷如孔隙和夹杂物。
- 工艺参数
许多相互依赖的参数影响铸件质量、生产率和经济性。 这些包括：
- 模具材料和设计——影响金属流动、传热和表面光洁度。
- 合金成分——决定性能、熔点和流动性。
- 熔体处理——脱气机减少气体缺陷； 孕育剂细化晶粒。
- 浇注温度——较高的温度可提高流动性，但会增加收缩率。 需要适当的过热度。
- 模具温度——预热模具可减少热冲击和缺陷。
- 填充时间和速度——更快的填充可以改善铸型。
- 冷却速度——更快的冷却会产生更细的晶粒，但存在热撕裂和翘曲的风险。
- 浇口设计——必须促进模具完全填充，同时避免紊流。
- 当铸件收缩时，上升顶冒口将液态金属输送到铸件中，以防止出现空隙。
重要的测试用于建模、预测和调整这些参数以获得最佳质量。
- 质量控制
铸造产品存在许多潜在缺陷，需要严格的质量控制：
- 目视检查尺寸、表面光洁度和明显缺陷。
- 染料渗透测试揭示了表面断裂裂纹。
- X 射线和 CT 扫描可检测内部空隙和孔隙问题。
- 超声波测试通过声波指示地下缺陷。
- 机械测试提供硬度、拉伸和冲击性能。
- 金相显示微观结构、晶粒尺寸和物相。
- 化学分析可验证合金成分是否正确。
- 泄漏和压力测试可确保铸件完好。
统计过程控制跟踪关键过程指标。 对铸件样品进行破坏性测试，将无损测试件与整体质量相关联。
- 发展与趋势
铸造是已知最古老的金属加工工艺之一，起源于 6000 多年前。 青铜和铁在整个古代历史中通过工具、武器和雕像铸造了先进的文明。 现代铸造工艺在 1800 年代至 1900 年代进行了创新，实现了大规模生产。
最近的趋势集中在：
- 高强度、轻质合金的开发使铸造零件能够取代机加工零件。 航空航天、汽车和植入物推动了这项研究。
- 复杂的模具流程和热分析模拟可准确预测铸造结果。
- 加强对孔隙率等铸造完整性问题的质量控制。 制定了 ASTM E505 等标准。
- 更多地使用自动化造型线和机器人，以实现更快、更便宜、更一致的输出。
- 连续铸造工艺可提高钢厂、铜厂和铝厂的产量。
- 涡轮叶片等小型零件采用熔模铸造技术。 快速原型技术应用于铸造。
- 采用热处理、热等静压、机械加工等二次加工来提高精度和性能。
- 客户案例
- 福特和通用汽车等汽车制造商使用铸造铝合金发动机缸体，因为铸件具有复杂的水套几何形状和难以加工的整体铸造特征。 其他发动机部件，如缸盖、活塞和增压器，也受益于战略铸造。
- 铸造钴铬合金能够经济地生产具有生物相容性、高强度和直接模制关节几何形状的关节置换植入物。 这些铸造植入物组件与人体骨骼的结合比制造的替代品要好得多。
- 铸钢件形成大型风力涡轮机框架、齿轮箱、发电机、机舱和其他结构，其中铸件提供了制造商无法比拟的必要刚性、减振和耐负载性能。
- 精密熔模铸造生产喷气发动机用等轴晶粒铸造镍高温合金涡轮叶片和具有高抗蠕变能力的单晶叶片。 这种铸造工艺实现了所需的复杂翼型形状和冷却方案。
- 结语
与其他金属零件制造方法相比，铸造提供了巨大的材料灵活性、设计自由度、准确性和节省成本的机会。 作为一种几乎不需要机械加工的净成型工艺，铸造可实现高生产率和其他方式无法实现的整体特征。 由于现代工程世界很大程度上依赖于铸造金属部件，铸造仍将与材料、质量和自动化进步一起成为重要的工业过程。